新仿真技術(shù)可抑制汽車系統(tǒng)電磁干擾
汽車中的利用電子控制的系統(tǒng)種類越來越多,如數(shù)字調(diào)頻廣播、遠程無鑰匙進入系統(tǒng)、胎壓監(jiān)測系統(tǒng)、GPS、衛(wèi)星數(shù)字電臺服務(wù)、藍牙、Wifi等等。消費者很熱衷于這些功能,但是在其背后,電氣系統(tǒng)集成電路的時鐘頻率、電路密度和復(fù)雜度也在持續(xù)增長。大量的接入端口意味著更多的設(shè)備能夠充當(dāng)天線的角色,例如手機。此外,嵌入式控制單元數(shù)量增多、車載診斷(OBD-Ⅱ)數(shù)據(jù)傳輸率提高、控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)總線增加均會導(dǎo)致潛在電磁干擾的增加。
整車的電磁干擾情況雖可通過仿真來進行模擬,但一定要在成型的原型車上進行。在這個階段,發(fā)現(xiàn)問題并解決問題需要耗費大量的時間和成本。此外,如今的汽車電子系統(tǒng)的復(fù)雜度高,數(shù)量龐大,要對每個系統(tǒng)進行仿真模擬是一個巨大的工程。
不過,研究者最近開發(fā)出了新型模擬仿真方法,能夠在電子系統(tǒng)出錯之前就發(fā)現(xiàn)并對其進行修改。例如,新的模擬軟件可識別高速電子組件中發(fā)出的電磁干擾并確定其電磁輻射對汽車各個其他電子系統(tǒng)的影響。與物理原型測試不同,模擬測試能夠同時考慮各項設(shè)計之間可能會發(fā)生的不兼容情況。
在實驗過程中,研究者確立了幾項能夠降低電子系統(tǒng)電磁干擾的標(biāo)準(zhǔn)。其中,ISO 11451-2標(biāo)準(zhǔn)用來確定車輛對車外輻射源的免疫能力。該標(biāo)準(zhǔn)的測定方式是:在消聲實驗室中,將需要測試的電子系統(tǒng)打開,并在其周圍安置具有天線功能的設(shè)備,檢測其是否會受到電磁干擾。執(zhí)行該測試的原型設(shè)備非常昂貴,測試需要大量時間,大幅限制了開發(fā)效率。
這項測試中模擬時最大的挑戰(zhàn)是計算機需要進行大量的計算才能模擬出消聲區(qū)域空間?;旌嫌邢拊瓦吔绶e分方法(FEBI)利用索末菲爾德型積分或許能夠解決這一問題。利用該方法,建模時計算機則無需模擬出空氣區(qū)域的模型,同時能夠提供精確的遠場輻射條件計算。該技術(shù)能夠用于整車模擬,包括復(fù)雜的幾何形狀和電介質(zhì)材料,以更少的計算機資源達到更精確的模擬效果。
在一項研究中,研究者基于ISO 11451-2標(biāo)準(zhǔn)配置了電場分布和頻率頻率為1GHz的天線輻射遠場模式,并使用常規(guī)的有限元法進行測量。仿真中包括測試需要的空氣模型,以及吸收元件。對于該特定仿真模型,89%的元件用于創(chuàng)建模擬空氣介質(zhì)。通過在高性能計算機平臺上采用域分解法模型,解決了該問題。模擬中,12節(jié)點計算機平臺花費310分鐘以及75GB的數(shù)據(jù)量建立了該空氣模型。
然后,研究者利用混合有限元和邊界積分方法做了同樣的模型測試。有限元建模法中的大型空氣模型被兩個較小的空氣模型代替,其外面表非常接近天線和被測試車輛。吸收元件也用積分方程的邊界替換,所達到的結(jié)果是相同的。兩種建模方法中的天線遠場模式相似,也就是說,混合有限元和邊界積分法與有限元積分法的建模精度是相近的。不過,前者同樣利用12節(jié)點HPC平臺,僅花了28分鐘和6.8GB的數(shù)據(jù)量就完成了建模,比后者的效率提升了10倍。
混合有限元和邊界積分還可用于測試ECU模塊的抗電磁干擾能力。將一塊印刷電路板(PCB)與發(fā)動機導(dǎo)線線束連接后,共同添加進仿真模型中。信號由發(fā)動機底部傳感器發(fā)送,通過發(fā)動機導(dǎo)線線束傳遞至印刷電路板。
為了了解線束系統(tǒng)的作用,研究利用兩個仿真過程清楚表達了其特性。在第一個仿真實驗中,將三個線束與印刷電路板連接。在第二個實驗中,將線束移除,并以一個隨機J1939隨機總線信號直接與印刷電路板連接器相連。結(jié)果表明,印刷電路板在與線束連接時會發(fā)生諧振。該諧振的頻率與線纜的長度呈特定的函數(shù)關(guān)系。實驗結(jié)果表明源天線和印刷電路板之間的信號強度在152MHz-191MHz頻段時增加了30分貝。
除了抗電磁干擾能力之外,汽車組件的電磁兼容性也非常重要。安全氣囊和娛樂信息系統(tǒng)的運行狀態(tài)取決于ECU的運行速率。而MCU的運行速率則取決于其接收到的功率大小。印刷電路板設(shè)計的好壞能夠造成±100毫伏的壓差變化,對MCU造成的頻率波動可達40-60赫茲,因此印刷電路板的設(shè)計必須要能夠滿足MCU的工作性能需求。電氣系統(tǒng)中設(shè)計芯片、封裝、印刷電路板設(shè)計,因此并不是靠單一廠商的高標(biāo)準(zhǔn)就能實現(xiàn)電氣系統(tǒng)高效工作?,F(xiàn)有的組件包裝設(shè)計采用非?;镜墓墓浪惴ǎ虼擞∷㈦娐钒逶O(shè)計師往往得不到芯片的瞬態(tài)特性和功耗信息,設(shè)計非常不便。
芯片功率模型(Chip Power Model,CPM)能夠用于集成電路的低功率系統(tǒng)級仿真過程中。芯片功率模型中包括一個SPICE等效電路模型,能夠捕捉到全芯片轉(zhuǎn)換電流的特征以及芯片電網(wǎng)的寄生網(wǎng)絡(luò)。此外,該模型還可實現(xiàn)集成電路節(jié)能方案設(shè)計;在布線后階段,它可用于集成電路封裝的優(yōu)化。
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